Development and validation of a compressible two-phase solver for femtosecond LIFT: through literature-based verification in OpenFOAM

Femtosecond Laser-Induced Forward Transfer (fs-LIFT) enables precise microscale metal deposition for aerospace applications through ultrafast energy deposition that minimizes thermal damage. However, simulating this process is challenging due to extreme temporal scales—from femtosecond laser absorption to nanosecond material ejection—requiring coupling of ultrafast thermal physics with compressible multiphase fluid dynamics. This thesis presents the development of compInterFoam, an open-source computational framework for femtosecond LIFT simulation. The solver extends OpenFOAM's compressibleInterFoam by integrating four coupled physical models: a Two-Temperature Model capturing non-equilibrium electron-lattice dynamics during ultrafast laser absorption, Beer-Lambert volumetric energy deposition with Gaussian spatial-temporal profiles, Hertz-Knudsen evaporation kinetics with recoil pressure generation, and Volume of Fluid interface tracking for compressible two-phase flow with density ratios exceeding 1000:1. The implementation addresses key numerical challenges through adaptive time-stepping with electron equation sub-cycling to handle temporal dynamics spanning nine orders of magnitude, PIMPLE algorithm for robust pressure-velocity coupling under extreme pressure transients, and stability mechanisms including pressure clamping and interface compression. Test simulations on 71.4 nm titanium films irradiated with 200 fs laser pulses at fluences of 0.8–1.2 J/cm² demonstrate the solver's capability to capture femtosecond LIFT physics. Results show peak electron temperatures reaching 11,000–14,000 K within 150 fs of pulse arrival, followed by lattice heating to 5,000–6,500 K over 2–5 ps timescales. The solver successfully models the complete physical sequence: ultrafast electron heating, electron-phonon energy transfer, material melting and evaporation, and recoil pressure development of 70–85 MPa. Energy conservation analysis confirms 92–97% of deposited laser energy is accounted for through internal energy increase, latent heat of phase transitions, and kinetic energy. Predicted jet velocities fall within the experimental range of 30–100 m/s reported in literature for similar titanium LIFT conditions. This work provides three key contributions: an open-source TTM-VOF-CFD framework for femtosecond LIFT simulation previously unavailable to the research community, demonstration that complex ultrafast laser-matter interactions can be modeled through careful integration of established physical models without empirical fitting, and a validated computational tool for investigating multi-stage femtosecond LIFT processes that are difficult to characterize experimentally. The solver enables virtual prototyping of LIFT processes, reducing experimental iterations and material costs in aerospace manufacturing development. Source code and documentation: https://github.com/Mavadidurai/compInterFoam

Il trasferimento laser indotto in avanti con impulsi al femtosecondo (fs-LIFT) consente la deposizione precisa di metalli su scala microscopica per applicazioni aerospaziali attraverso la deposizione ultrarapida di energia che minimizza il danno termico. Tuttavia, la simulazione di questo processo è complessa a causa delle scale temporali estreme—dall'assorbimento laser al femtosecondo all'espulsione di materiale al nanosecondo—che richiedono l'accoppiamento della fisica termica ultraveloce con la fluidodinamica multifase comprimibile. Questa tesi presenta lo sviluppo di compInterFoam, un framework computazionale open-source per la simulazione del LIFT al femtosecondo. Il solutore estende compressibleInterFoam di OpenFOAM integrando quattro modelli fisici accoppiati: un Modello a Due Temperature che cattura le dinamiche termiche di non-equilibrio elettrone-reticolo durante l'assorbimento laser ultraveloce, la deposizione volumetrica di energia secondo Beer-Lambert con profili spaziali-temporali gaussiani, la cinetica di evaporazione di Hertz-Knudsen con generazione di pressione di rinculo, e il tracciamento dell'interfaccia Volume of Fluid per flussi bifase comprimibili con rapporti di densità superiori a 1000:1. L'implementazione affronta le principali sfide numeriche attraverso l'adattamento temporale con sub-cycling dell'equazione elettronica per gestire dinamiche temporali che coprono nove ordini di grandezza, l'algoritmo PIMPLE per un robusto accoppiamento pressione-velocità sotto transienti di pressione estremi, e meccanismi di stabilità che includono il contenimento della pressione e la compressione dell'interfaccia. Le simulazioni di prova su film di titanio di 71,4 nm irradiati con impulsi laser di 200 fs a fluenze di 0,8–1,2 J/cm² dimostrano la capacità del solutore di catturare la fisica del LIFT al femtosecondo. I risultati mostrano temperature elettroniche di picco che raggiungono 11.000–14.000 K entro 150 fs dall'arrivo dell'impulso, seguite dal riscaldamento del reticolo a 5.000–6.500 K su scale temporali di 2–5 ps. Il solutore modella con successo la sequenza fisica completa: riscaldamento elettronico ultraveloce, trasferimento di energia elettrone-fonone, fusione ed evaporazione del materiale, e sviluppo della pressione di rinculo di 70–85 MPa. L'analisi della conservazione dell'energia conferma che il 92–97% dell'energia laser depositata è contabilizzato attraverso l'aumento di energia interna, il calore latente delle transizioni di fase e l'energia cinetica. Le velocità dei getti previste rientrano nell'intervallo sperimentale di 30–100 m/s riportato in letteratura per condizioni LIFT di titanio simili. Questo lavoro fornisce tre contributi chiave: un framework TTM-VOF-CFD open-source per la simulazione del LIFT al femtosecondo precedentemente non disponibile alla comunità scientifica, la dimostrazione che le complesse interazioni laser-materia ultraveloci possono essere modellate attraverso l'integrazione accurata di modelli fisici consolidati senza fitting empirico, e uno strumento computazionale validato per investigare i processi LIFT al femtosecondo multi-stadio che sono difficili da caratterizzare sperimentalmente. Il solutore consente la prototipazione virtuale dei processi LIFT, riducendo le iterazioni sperimentali e i costi dei materiali nello sviluppo della produzione aerospaziale. Codice sorgente e documentazione: https://github.com/Mavadidurai/compInterFoam